チュートリアル

GAMESS
化学反応解析
（生成熱・活性化エネルギー）
V11.6.5
2024年2月1日

株式会社クロスアビリティ

Copyright 2008-2024 X-Ability Co., Ltd.

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本書について•本書はWinmostar V11の使用例を示すチュートリアルです。

•初めてWinmostar V11をお使いになる方はビギナーズマニュアルを参照してください。

•各機能の詳細を調べたい方はユーザマニュアルを参照してください。

•本書の内容の実習を希望される方は、講習会を受講ください。
– Winmostar導入講習会：基礎編チュートリアルの操作方法のみ紹介します。

– Winmostar基礎講習会：理論的な背景、結果の解釈の解説、基礎編チュートリアルの操作方法、基礎編以外のチュートリアルの一部の操作方法を紹介します。
– 個別講習会：ご希望に応じて講習内容を自由にカスタマイズして頂けます。
•本書の内容通りに操作が進まない場合は、まずよくある質問を参照してください。

•よくある質問で解決しない場合は、情報の蓄積・管理のため、お問合せフォームに、不具合の再現方法とその時に生成されたファイルを添付しご連絡ください。

•本書の著作権は株式会社クロスアビリティが有します。株式会社クロスアビリティの許諾な
く、いかなる形態での内容のコピー、複製を禁じます。
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概要

エネルギー

次の2つの化学反応の生成熱及び活性化エネルギーをB3LYP/6-31G*レベルで計算します。
1. 遷移状態構造をある程度予測できる場合：ブタジエンとエチレンの真空中でのDiels-Alder反応 (C4H6 + C2H4 → C6H10)
2. 遷移状態の初期構造を他の方法で計算した場合：
ブロモエタンとCl-イオンのDMSO溶液中のSN2反応 (CH3CH2Br + Cl- → CH3CH2Cl + Br-)注意点：
• SN2反応の遷移状態計算の初期構造は、MOPACの遷移状態計算結果を使います。あらかじめMOPAC(遷移状態・IRC)チュートリアルの内容を実行してください。
• 複数の遷移状態を経由する反応を調べる場合は、それぞれの素反応を個別に計算してください。
化学反応 A+B → C+D
遷移状態
生成物
反応物
遷移状態
活性化
エネルギー
反応物+生成熱

A+B

生成物++

C+D
反応座標
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動作環境設定•GAMESSの場合
GAMESSインストールマニュアル
https://winmostar.com/jp/manual_jp/installation/GAMESS_install_manual_jp_win.p
dfに従い、GAMESSをインストールしてください。

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Winmostar V11の動作モード
V11にはプロジェクトモードとファイルモードの2つの動作モードが用意されています。
本書ではプロジェクトモードでの操作方法を解説します。
ファイルモードの操作方法はV10のチュートリアルを参照してください。

プロジェクトモード V11新機能
ユーザは個々のファイルを意識することなくジョブを管理できます。
基本的にこのモードを推奨します。
ファイルモード
ユーザは個々のファイルを明示的に作成、管理します。操作方法はV10以前と一緒です。
継続ジョブを作成するときに、ファイルモードまたはV10以前では都度継続元ジョブの最終構造を表示する必要がありますが、プロジェクトモードでは自動で最終構造が引き継がれます。
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1. ブタジエンとエチレンのDiels-Alder反応

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I. 計算手順
反応物(C4H6、C2H4)、生成物(C6H10)、さらに遷移状態の構造最適化計算を行い、それぞれのエネルギーを求めます。それらのエネルギーの足し引きから、この反応の生成熱及び活性化エネルギーを計算します。

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I. 計算手順
基本的な操作方法はGAMESS基礎編チュートリアルを参照してください。
1. Winmostarを起動し、新規プロジェクト（3次元構造を入力）をクリックします（すでに起動している場合は先にファイル｜閉じるをクリックします）。
2. プロジェクト名に「Diels_Alder」と入力し保存をクリックします。

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II. 構造最適化計算(ブタジエン)
メインウィンドウ右上のラベル/電荷メニューから番号&元素を選択し、分子表示エリアで各原子の名前を表示します。

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II. 構造最適化計算(ブタジエン)
1. メインウィンドウ上部のフラグメントを選択から-C2H3を選択し、Replaceボタンを1回クリックします。
2. 4H原子(黄色)をクリックして太い赤丸でマークされた状態で、再度Replaceボタンを1回クリックし、cis-ブタジエンを作成します。

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II. 構造最適化計算(ブタジエン)
1. ソルバを選択メニューでGAMESSを選択して、ワークフロー設定ボタンをクリックします。
2. GAMESS Workflow Setupウィンドウで、OKボタンをクリックします。
• デフォルトの設定ではB3LYP/6-31G*レベルの構造最適化が行われます。
• 計算精度を落として計算を早く終わらせたい場合は、Basis setをSTO-3Gに変更します。
STO-3Gに変更する場合、ブタジエンだけではなく、このDiels-Alder反応の他の分子も全てSTO-3Gで実行する必要があります。

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II. 構造最適化計算(ブタジエン)
1. 作業フォルダ名を「budadiene」に変更します。
2. 計算機のコア数に応じて# of MPI Procsを設定します。リモートマシンで実行する際は、プロファイル等の設定も行います。
3. 実行ボタンをクリックします。

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II. 構造最適化計算(ブタジエン)
1. 計算が終了して作業フォルダの状態がENDもしくはEND(-)に変化した後、アクションエリアのLog(Extracted)をクリックします。
2. Extracted Logウィンドウの最後のNSERCHの行のE=の後の数値をExcel等にコピーします。この値（-155.98651 Hartree）が安定構造でのブタジエンのエネルギーです。
3. Extracted Logウィンドウを閉じます。

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III.構造最適化計算(エチレン)
1. 編集 | 構造をリセットをクリックすると、初めのC-Hの状態に戻ります。
2. メインウィンドウ上部のフラグメントを選択から-C2H3を選択し、Replaceボタンを1回クリックして、エチレンを作成します。

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III.構造最適化計算(エチレン)
1.
（ワークフロー設定）ボタンをクリックします。
2. 「継続ジョブを実行しますか？…」と表示されたらいいえをクリックします。
3. GAMESS Workflow Setupウィンドウで、OKボタンをクリックします。
4. ジョブを設定ウィンドウで、作業フォルダ名を「ethylene」に変更して、実行ボタンをクリックします。
• 計算精度を落として計算を早く終わらせたい場合は、Basis setをSTO-3Gに変更します。

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III.構造最適化計算(エチレン)
1. 計算が終了して作業フォルダの状態がENDもしくはEND(-)に変化した後、アクションエリアのLog(Extracted)をクリックします。
2. Extracted Logウィンドウの最後のNSERCHの行のE=の後の数値をExcel等にコピーします。この値（-78.58746 Hartree）が安定構造でのエチレンのエネルギーです。
3. Extracted Logウィンドウを閉じます。

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IV.構造最適化計算(シクロヘキセン)
1. 編集 | 構造をリセットをクリックします。
2. メインウィンドウ上部のフラグメントを選択から-CYCLOHEXYL(EQ)を選択し、Replaceボタンを1回クリックします。
3. 13H, 15H原子(黄色)を続けてクリックして、原子を削除ボタンを2回クリックします。
4. 簡易構造最適化ボタンをクリックして、シクロヘキセンを作成します。

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IV.構造最適化計算(シクロヘキセン)
1.
（ワークフロー設定）ボタンをクリックします。
2. 「継続ジョブを実行しますか？…」と表示されたらいいえをクリックします。
3. GAMESS Workflow Setupウィンドウで、OKボタンをクリックします。
4. ジョブを設定ウィンドウで、作業フォルダ名を「cyclohexene」に変更して、実行ボタンをクリックします。
• 計算精度を落として計算を早く終わらせたい場合は、Basis setをSTO-3Gに変更します。

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IV.構造最適化計算(シクロヘキセン)
1. 計算が終了して作業フォルダの状態がENDもしくはEND(-)に変化した後、アクションエリアのLog(Extracted)をクリックします。
2. Extracted Logウィンドウの最後のNSERCHの行のE=の後の数値をExcel等にコピーします。この値（-234.64826 Hartree）が安定構造でのエチレンのエネルギーです。
3. Extracted Logウィンドウを閉じます。

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V. 遷移状態(TS)構造最適化計算
1. 編集 | 構造をリセットをクリックします。
2. メインウィンドウ上部のフラグメントを選択から-C6H5を選択し、Replaceボタンを1回クリックし、ベンゼンを作成します。
3. 分子の近く（水色）をクリックしたままマウスを動かして、右下の図の向きになるように分子を回転させます。
4. 7C, 5C, 4Cの順にクリックします。

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V. 遷移状態(TS)構造最適化計算
1. Ctrlを押しながら1C, 2H, 4C, 8H原子をクリックして青丸のグループ選択状態にします。
2. 分子の近くをクリックしたままマウスを動かして、中央の図の向きになるように再度分子を回転させます。
3. グループ編集をクリックし、グループを並進移動(マウス操作)を選択します。

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V. 遷移状態(TS)構造最適化計算
1. Diels-Alder反応での2分子間のπ軌道の重なりを考慮に入れながら、ブタジエンとエチレンの炭素骨格を配置します。画面をドラッグして左下の図のように、Lengthが2.0Å、Angleが100°程度になるようにC2H2部分を移動させます。遷移状態の初期構造作成が目的のため、値を厳密に合わせる必要はありません。
2. 分子の近くを一度クリックしてグループ選択の青丸を解除した後、分子の近くをクリックしたままマウスを動かして、中央下図の向きになるように再度分子を回転させます。
3. Ctrlを押しながら1C, 3C, 4C, 5C原子をクリックして青丸でグループ選択した状態で、選択原子に水素を付加を1回クリックします。これで遷移状態計算の初期構造が完成します。
GAMESSでは原子座標のみ使い、結合の情報は使わないため、 C4H6とC2H4の間に結合が残っていても問題はありません。

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V. 遷移状態(TS)構造最適化計算
1.
（ワークフロー設定）ボタンをクリックします。
2. 「継続ジョブを実行しますか？…」と表示されたらいいえをクリックします。
3. GAMESS Workflow Setupウィンドウで、PresetをIR + Optimize(TS)+IRに変更します。
4. ジョブを設定ウィンドウで、作業フォルダ名を「ts」に変更して、実行ボタンをクリックします。
• 計算精度を落として計算を早く終わらせたい場合は、Basis setをSTO-3Gに変更します。

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V. 遷移状態(TS)構造最適化計算
1. 計算が終了して作業フォルダの状態がENDもしくはEND(-)に変化した後、作業フォルダで「ts5_GMS_OPTTS-IR」をクリックして、アクションエリアのIR/Ramanをクリックします。
2. IR Spectrumウィンドウの左上欄の振動数のリストで1つだけ負の値（表示上は負の値で、正確には虚の値）があれば、遷移状態構造が得られたことを意味します。
3. 1番目のピークをクリックした後、Animationボタンをクリックします。ブタジエンとエチレンの炭素間の振動が表示されれば、求めたい遷移状態が得られたことを意味します。

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V. 遷移状態(TS)構造最適化計算
1. アクションエリアのLog(Extracted)をクリックします。
2. Extracted Logウィンドウの最後のNSERCHの行のE=の後の数値をExcel等にコピーします。この値（-234.54391 Hartree）が遷移状態構造のエネルギーです。
3. Extracted Logウィンドウを閉じます。

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VI.反応エネルギー計算(生成熱) = (生成物エネルギー) - (反応物エネルギー)(活性化エネルギー) = (遷移状態エネルギー) – (反応物エネルギー)で計算します。この反応は46.6kcal/molの発熱反応であり、遷移状態を超えるための活性化エネルギーは18.9 kcal/molとなります。
遷移状態-234.54391
Hartree

エネルギー-155.98651 + (-78.58746)= -234.57397 Hartree

遷移状態-234.54391 Hartree

生成物-234.64826 Hartree

生成熱-234.64826 – (-234.57397)= -0.07429 Hartree= -46.6 kcal/mol

活性化エネルギー-234.54391 – (-234.57397)= 0.03006 Hartree= 18.9 kcal/mol

エネルギー

反応物

活性化エネルギー
18.9 kcal/mol
反応物-234.57397
Hartree

生成熱-46.6 kcal/mol
生成物-234.64826
Hartree

反応座標
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2. ブロモエタンとCl-イオンのSN2反応

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27I. 計算手順
反応物(CH3CH2Br、Cl-)、生成物(CH3CH2Cl、Br-)、さらに遷移状態の構造最適化計算を、PCM法を用いて非プロトン性極性溶媒であるDMSO溶液中でそれぞれ行います。得られたエネルギーの足し引きから、この反応の生成熱及び活性化エネルギーを計算します。
注意点：• 遷移状態計算の初期構造はMOPAC計算結果を利用するため、あらかじめMOPAC(遷移状態・IRC)チュートリアルを実行しておく必要があります。

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+28

I. 計算手順
1. Winmostarを起動し、新規プロジェクト（3次元構造を入力）をクリックします（すでに起動している場合は先にファイル｜閉じるをクリックします）。
2. プロジェクト名に「SN2」と入力し保存をクリックします。

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II. 構造最適化計算(ブロモエタン)
1. メインウィンドウ上部のフラグメントを選択から-CH3を選択し、Replaceボタンを2回クリックし、エタンを作成します。
2. H原子(黄色)が太い赤丸でマークされた状態で、メインウィンドウ上部の編集操作向けの元素を選択メニューから Br 35を選択します。
3. 元素を変更ボタンをクリックし、ブロモエタンを作成します。

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II. 構造最適化計算(ブロモエタン)
1.
（ワークフロー設定）ボタンをクリックします。
2. GAMESS Workflow Setupウィンドウで、SolventをDMSO(PCM)に変更して、OKボタンをクリックします。
3. ジョブを設定ウィンドウで、作業フォルダ名を「bromoethane」に変更して、実行ボタンをクリックします。
• 計算精度を落として計算を早く終わらせたい場合は、Basis setをSTO-3Gに変更します。
STO-3Gに変更する場合、ブロモエタンだけではなく、このSN2反応の他の分子も全てSTO-3Gで実行する必要があります。

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II. 構造最適化計算(ブロモエタン)
1. 計算が終了して作業フォルダの状態がENDもしくはEND(-)に変化した後、アクションエリアのLogをクリックします。
2. 表示されたログのほぼ最後に書かれている「TOTAL FREE ENERGY IN SOLVENT」の行の値をExcel等にコピーします。

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IV.構造最適化計算(クロロエタン)
1. ブロモエタンのBr原子をクリックして太い赤丸でマークされた状態にします。
2. メインウィンドウ上部の編集操作向けの元素を選択メニューからCl 17を選択します。
3. 元素を変更ボタンをクリックし、クロロエタンを作成します。

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III.構造最適化計算(クロロエタン)
1.
（ワークフロー設定）ボタンをクリックします。
2. 「継続ジョブを実行しますか？…」と表示されたらいいえをクリックします。
3. GAMESS Workflow Setupウィンドウで、SolventにDMSO(PCM)が選択されている状態で、OKボタンをクリックします。
4. ジョブを設定ウィンドウで、作業フォルダ名を「chloroethane」に変更して、実行ボタンをクリックします。
• 計算精度を落として計算を早く終わらせたい場合は、Basis setをSTO-3Gに変更します。

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IV.構造最適化計算(クロロエタン)
1. 計算が終了して作業フォルダの状態がENDもしくはEND(-)に変化した後、アクションエリアのLogをクリックします。
2. 表示されたログのほぼ最後に書かれている「TOTAL FREE ENERGY IN SOLVENT」の行の値をExcel等にコピーします。

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VI.エネルギー計算(Clイオン)
1. 編集 | 構造をリセットをクリックします。
2. 右側のH原子(黄色)をクリックして太い赤丸でマークされた状態にして、原子を削除ボタンをクリックし、C原子のみにします。
3. メインウィンドウ上部の編集操作向けの元素を選択メニューから Cl 17を選択します。
4. 元素を変更ボタンをクリックし、Cl原子にします。

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VI.エネルギー計算(Clイオン)
1.
（ワークフロー設定）ボタンをクリックします。
2. 「継続ジョブを実行しますか？…」と表示されたらいいえをクリックします。
3. GAMESS Workflow Setupウィンドウで、SolventにDMSO(PCM)が選択されている状態で、Chargeを-1に変更して、OKボタンをクリックします。
4. ジョブを設定ウィンドウで、作業フォルダ名を「cl」に変更して、実行ボタンをクリックします。
• 計算精度を落として計算を早く終わらせたい場合は、Basis setをSTO-3Gに変更します。

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VI.エネルギー計算(Clイオン)
1. 計算が終了して作業フォルダの状態がENDもしくはEND(-)に変化した後、アクションエリアのLogをクリックします。
2. 表示されたログのほぼ最後に書かれている「TOTAL FREE ENERGY IN SOLVENT」の行の値をExcel等にコピーします。

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VII.エネルギー計算(Brイオン)
1. Cl原子が表示されている状態で、メインウィンドウ上部の編集操作向けの元素を選択メニューからBr 35を選択します。
2. 元素を変更ボタンをクリックし、Br原子にします。

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VII.エネルギー計算(Brイオン)1.
（ワークフロー設定）ボタンをクリックします。
2. 「継続ジョブを実行しますか？…」と表示されたらいいえをクリックします。
3. GAMESS Workflow Setupウィンドウで、SolventにDMSO(PCM)が、Chargeに-1が選択されている状態で、OKボタンをクリックします。
4. ジョブを設定ウィンドウで、作業フォルダ名を「br」に変更して、実行ボタンをクリックします。
• 計算精度を落として計算を早く終わらせたい場合は、Basis setをSTO-3Gに変更します。

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VII.エネルギー計算(Brイオン)
1. 計算が終了して作業フォルダの状態がENDもしくはEND(-)に変化した後、アクションエリアのLogをクリックします。
2. 表示されたログのほぼ最後に書かれている「TOTAL FREE ENERGY IN SOLVENT」の行の値をExcel等にコピーします。

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VIII.遷移状態(TS)構造最適化計算
MOPAC(遷移状態・IRC)チュートリアルをすでに実行した前提での操作です。
1. ファイル｜ファイルをインポートを選択します。
2. ファイル名に「ts.arc」(MOPAC(遷移状態・IRC)チュートリアルの遷移状態計算結果ファイル)を入力して、開くをクリックします。
3. 「現在の内容を破棄して…」と表示されたら破棄して読み込みをクリックします。

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VIII.遷移状態(TS)構造最適化計算
1.
（ワークフロー設定）ボタンをクリックします。
2. 「継続ジョブを実行しますか？…」と表示されたらいいえをクリックします。
3. GAMESS Workflow Setupウィンドウで、PresetをIR + Optimize(TS)+IRに変更します。1st job枠のChargeを-1、SolventをDMSO(PCM)に変更して、OKボタンをクリックします。
4. ジョブを設定ウィンドウで、作業フォルダ名を「ts」に変更して、実行ボタンをクリックします。
• 計算精度を落として計算を早く終わらせたい場合は、Basis setをSTO-3Gに変更します。

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VIII.遷移状態(TS)構造最適化計算
1. 計算が終了して作業フォルダの状態がENDもしくはEND(-)に変化した後、作業フォルダで「ts6_GMS_OPTTS-IR」をクリックして、アクションエリアのIR/Ramanをクリックします。
2. IR Spectrumウィンドウの左上欄の振動数のリストで1つだけ負の値（表示上は負の値で、正確には虚の値）があれば、遷移状態構造が得られたことを意味します。
3. 1番目のピークをクリックした後、Animationボタンをクリックします。Cl-とBr-と炭素間の振動が表示されれば、求めたい遷移状態が得られたことを意味します。

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VIII.遷移状態(TS)構造最適化計算
1. 表示されたログのほぼ最後に書かれている「TOTAL FREE ENERGY IN SOLVENT」の行の値をExcel等にコピーします

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X. 反応エネルギー計算(生成熱) = (生成物エネルギー) - (反応物エネルギー)(活性化エネルギー) = (遷移状態エネルギー) – (反応物エネルギー)で計算します。この反応は6.5 kcal/molの発熱反応であり、遷移状態を超えるための活性化エネルギーは14.3 kcal/molとなります。
遷移状態-3113.46211
Hartreeエネルギー遷移状態-2653.11658 + (-460.36842)= -3113.48500 Hartree-3113.46211 Hartree

生成物-539.43004 + (-2574.06531)= -3113.49535 Hartree

生成熱-3113.49535 – (-3113.48500)= -0.01035 Hartree= -6.5 kcal/mol

活性化エネルギー-3113.46211– (-3113.48500)= 0.02286 Hartree=14.3 kcal/mol

エネルギー

反応物

活性化エネルギー
14.3 kcal/mol
反応物-3113.48500
Hartree

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生成熱
-6.5 kcal/mol
生成物-3113.49535
Hartree

反応座標46X. 反応エネルギー計算
参考のため、DMSO溶液中と真空中での生成熱と活性化エネルギーの比較をまとめます。真空中のエネルギーは、GAMESS Workflow SetupウィンドウでSolventの欄を[None] にして計算した値です。
生成熱はDMSO溶液中と真空中で約6 kcal/mol異なりますが、傾向は同じです。一方、活性化エネルギーは符号が逆になり、真空中では反応物よりも遷移状態の方が安定となります。それぞれの分子のエネルギーを比較すると、原子の電荷が-1であるCl-とBr-は溶液中で大幅に安定化していますが、遷移状態は系全体で電荷が-1であるため溶液中での安定化はCl-とBr-に比べると小さくなっています。電荷の偏りが大きい分子の反応では、溶媒効果が重要となる場合があります。
溶液中
反応物

真空中

-2653.11658 + (-460.36842)= -3113.48500 Hartree-2653.1127 + (-460.2522)= -3113.3649 Hartree-3113.46211 Hartree-3113.3782 Hartree

生成物-539.43004 + (-2574.06531)= -3113.49535 Hartree-539.4263 +(-2573.9586)= -3113.3849 Hartree

生成熱-3113.49535 – (-3113.48500)= -0.01035 Hartree = -6.5 kcal/mol-3113.3849 – (-3113.3649)= -0.0200 Hartree = -12.6 kcal/mol

活性化エネルギー-3113.46211– (-3113.48500)= 0.02286 Hartree = 14.3 kcal/mol-3113.3782 – (-3113.3649)= -0.0133 Hartree = -8.3 kcal/mol

遷移状態

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最後に•

各機能の詳細を調べたい方はユーザマニュアルを参照してください。

ユーザマニュアル

Winmostar 講習会の風景•

本書の内容の 実習を希望され る方は 、Winmostar導入 講習 会 、Winmostar 基礎講習会、または個別講習会の受講をご検討ください。（詳細はP.2）•

本書の内容通りに操作が進まない場合は、まずよくある質問を参照してください。

•

よくある質問で解決しない場合は、情報の蓄積・管理のため、お問合せフォームに、不具合の再現方法とその時に生成されたファイルを添付しご連絡ください。
以上
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